Entre los científicos que se dedican a la energía nuclear siempre se ha bromeado, que la constante más universal que existe no es la velocidad de la luz, sino el tiempo que falta hasta lograr que la fusión nuclear se ponga en explotación comercial. Desde los años 70 hasta la actualidad, se viene diciendo que dentro de 25 años tendremos energía limpia y barata procedente de la fusión nuclear. Si bien es cierto que en los 70 éramos demasiado optimistas y puede que aun ahora lo seamos, no es menos cierto que se han producido grandes avances en estas últimas décadas.
¿Cuál es la realidad actual de este tipo de energía? ¿Dónde estamos exactamente? ¿En qué punto de ese camino que parece no tener fin?
Empecemos por la diferencia entre la energía nuclear de fisión de la energía nuclear de fusión.
La energía de fisión consiste en romper un átomo pesado en dos más ligeros y por el contrario la de fusión, en unir dos átomos ligeros en uno más pesado; en ambos casos bajo los postulados de la física se produce energía, y esto es así, por la diferencia de energía en los núcleos atómicos.
Si observamos la siguiente gráfica veremos que la energía de enlace de las partículas que hay dentro del núcleo varía en función del número másico en la forma que se muestra. Vemos que el pico de estabilidad nuclear, es decir el elemento que más fuertemente unido tiene sus nucleones (protones y neutrones) es el Hierro (26Fe56), por lo que teóricamente, uniendo dos o más núcleos que den como resultado otro inferior al Fese liberará energía y por el contrario rompiendo un núcleo pesado en dos partes las cuales sean mayores que el Fe56 también se liberará energía.
Pero, así como la energía nuclear de fisión es una realidad comercial desde mediados del siglo pasado, la energía de fusión se resiste a pasar de su fase teórica y experimental, a la práctica comercial.
Las condiciones para que se dé la fusión de elementos ligeros en uno más pesado, no son simples, hay tres parámetros que hay que cumplir: alta temperatura, alta densidad de la materia (mucha presión) y un tiempo mínimo de confinamiento manteniendo las condiciones anteriores.
Un científico llamado Lawson, ya a mediados del siglo pasado, determinó que, para que pudiera darse la fusión de los elementos más sencillos (Deuterio-Tritio para dar Helio) debería estar por encima de la curva que describe esta parábola (color rojo)
Veis que el mejor punto para estar por encima de la curva se produce a una temperatura del orden de 108 K, estamos hablando de 100 millones de grados; y el producto de la densidad de la materia por el tiempo de confinamiento (en el eje vertical) debe ser superior a 1020 s/m3, lo que quiere decir que para temperaturas más bajas, del orden de la temperatura ambiente, tendríamos que obtener una densidad del plasma enorme (del orden de 20 veces la del plomo) para entrar en los criterios de fusión . Creo que vais entendiendo la dificultad de lograr esto.
Cuando la materia se calienta a estas temperaturas de cientos de millones de grados, la estructura atómica desaparece y se forma una sopa de partículas elementales, los protones, neutrones y electrones van a su aire, sin formar estructura alguna, en un nuevo estado ionizado de la materia más allá del gaseoso, llamado plasma, es la única forma que mediante el confinamiento (apretar y este plasma) podemos conseguir fusiones durante lapsos muy pequeños de tiempo. Este calentamiento y confinamiento se consigue con intensos campos magnéticos, esta tecnología se denomina confinamiento magnético, pero no es la única en la carrera por conseguir la realidad de esta fuente de energía.
Otra tecnología, denominada confinamiento inercial, consiste en comprimir pequeñas esferas de combustible (deuterio y tritio) mediante haces de láseres que disparan simultáneamente sobre el blanco obteniéndose densidades muy elevadas, de manera que los núcleos están muy cercanos entre ellos, se fusionan dando energía. Esta tecnología está relacionada con la industria militar interesada también en los láseres de alta potencia, por lo que nos centraremos más en el estado de los proyectos de confinamiento magnético, en los cuales la Unión Europea están liderando este campo, a través de proyecto ITER.
Las ventajas de la fusión sobre la fisión nuclear, que se produce en las centrales actuales son muy evidentes, de ahí el ahínco en conseguirla, de forma genérica:
- Los combustibles primarios (deuterio 2H1 y tritio 3H1 son baratos, abundantes, y repartidos geográficamente de manera uniforme, se encuentran en el agua de ríos mares y océanos.
- Los sistemas de producción son intrínsecamente seguros: el reactor sólo contiene muy pequeñas cantidades de combustible, ya que funciona a pulsos. La reacción de fusión no es una reacción en cadena, no es posible que se pierda el control. En cualquier momento se puede parar la reacción, cerrando sencillamente el suministro de combustible.
- La fusión no produce gases que contribuyan al efecto invernadero. La reacción en sí sólo produce helio, un gas no nocivo.
- Los residuos radiactivos que producirá serán solamente las estructuras del propio reactor, puede ser minimizados escogiendo cuidadosamente los materiales, de baja activación. Por tanto, no es preciso almacenar los elementos del reactor más de cincuenta años, y no habrá residuos de alta actividad ni combustible gastado.
La “ganancia” de las reacciones de fusión es el asunto más importante que se debate en estos tiempos, es decir, que la energía requerida para provocar la fusión, sea menor que la energía liberada por esta reacción. El rendimiento debe ser positivo, si no, no conseguiremos nada a nivel comercial.
La forma de medir la “ganancia” es un poco compleja, de forma simplificada la denominaremos con la letra Q, si esta es mayor que 1, estaremos produciendo más energía de la que empleamos, y si es menor que la unidad será lo contrario.
En la siguiente gráfica veis los avances a lo largo de los años las dos tecnologías, la gráfica de puntos rojos es la evolución del confinamiento magnético y la gráfica de cruces negra la evolución del confinamiento inercial
Las siglas que aparecen en cada punto son los nombre de las máquinas o experimentos, veis que el confinamiento inercial ha sobrepasado ya la barrera de Q=1, llegando hasta valores de 10 (diez veces más energía producida que la gastada) en el proyecto NIF (Nuclear Ignición Facility) en el Laboratorio Nacional de Livermore, California. Si bien se ha conseguido una eficiencia positiva, es un experimento puntual, de difícil operación de forma continua y explotación comercial.
Por otra parte, el confinamiento magnético, que, si ha demostrado su operatividad continua, está al borde de la eficiencia positiva (horizontal verde Q=1). Los dos proyectos más importantes en curso (a la derecha de la gráfica SPARC e ITER) pretenden demostrar operatividad y eficiencias superiores a 10 veces la energía consumida.
Los dos proyectos son de similar tecnología, siendo ITER de mayor dimensión y con una componente internacional, ya que SPARC es un proyecto americano del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT).
El proyecto ITER
ITER es el proyecto de reactor experimental de fusión nuclear que está siendo construido en la localidad francesa de Cadarache por un consorcio internacional liderado por Europa, es uno de los pasos necesarios para llegar a la energía de fusión comercial.
ITER significa “International Termo Experimental Reactor “, y juega con su significado en latín de “Iter-Itineris” (el camino). Por lo que debemos concebirlo como un paso más y no el final de esta historia. Si bien es el reactor de fusión más grande jamás construido, para demostrar la operatividad y eficiencia de la energía de fusión, aún quedan muchos pasos que andar para su aplicación comercial, que no veremos hasta la segunda mitad de este siglo, (¡con lo que sigue siendo válido “el mantra” de la constante universal de los 25 años!)
ITER obedece a un acuerdo de colaboración firmado en 2006 y sus miembros son: China, Unión Europea, India, Japón, Corea, Rusia y Estados Unidos, que han aunado sus recursos para lograr una gran ambición: una fuente de energía limpia, barata y accesible.
Actualmente, el proyecto se encuentra en una fase de construcción muy avanzada en la localidad francesa de Cadarache. Es un reactor tipo “tocamak” de confinamiento magnético con enormes bobinas para provocar fortísimos campos magnéticos.
En la figura podéis ver un esquema en sección donde se aprecia la cámara central de vacío con forma toroidal, donde se producirá la reacción, alrededor en amarillo, los superconductores para crear los campos magnéticos, así como otros sistemas auxiliares y, en la parte inferior podéis ver una persona para que os hagáis una idea del tamaño.
Europa corre con la mayor parte del coste de construcción (45,6%) de la instalación; la proporción restante la comparten a partes iguales China, India, Japón, Corea, Rusia y Estados Unidos.
La primera fase de ensamblaje arrancó en marzo de 2020 y, si todo sigue su curso, finalizará en diciembre de 2024. A esta primera fase le seguirán tres fases más, añadiendo otros componentes, sistemas auxiliares, instrumentación, diagnóstico, …. En el 2035 el reactor estará listo para iniciar sus experimentos con combustible real en potencia, pero esto no será una central de producción de energía eléctrica; para esto necesitamos esperar un poco más.
DEMO, el siguiente paso después de ITER
La planta de energía DEMOstracion, DEMO, será la sucesora de ITER. Con la transición de ITER a DEMO, la fusión pasará de ser un ejercicio basado en la ciencia y experimentación, a materializarse en un programa impulsado por la industria y la tecnología. Un criterio clave para DEMO será la producción de electricidad, aunque no al precio y las cantidades de las plantas de energía comerciales. Esto no será antes del 2050.
Referencias:
- Foro Nuclear. Fusión Nuclear. https://www.foronuclear.org/descubre-la-energia-nuclear/preguntas-y-respuestas/sobre-fusion-nuclear/la-fusion-nuclear/
- Consejo de Seguridad Nuclear. Fusión nuclear. https://www.csn.es/fusion-nuclear
- IAEA Bulletin . Energia Nuclear de Fusión. https://www.iaea.org/sites/default/files/21-01120sweb.pdf
- “Progress toward fusion energy breakeven and gain as measured against the Lawson criterion,” S.E. Wurzel and S. C Hsu, Physics of Plasmas 29, 062103 (2022). https://pubs.aip.org/aip/pop/article/29/6/062103/2847827/Progress-toward-fusion-energy-breakeven-and-gain